劉 臻 盧 洪

（北京低碳清潔能源研究所煤氣化中心，北京市昌平區(qū)，102209）

煤氣化爐是現(xiàn)代煤化工和整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）的核心關鍵設備。準確地預測氣化爐的性能，尤其是不同運行條件下氣化爐出口合成氣的組分，是進行氣化爐系統(tǒng)性能分析、工程設計的必需條件。平衡模型以反應熱力學為基礎，模型算法比較簡單，計算速度快，并且具有一定的通用性，對碳轉(zhuǎn)化率高、反應接近平衡的氣流床氣化爐預測較好，非常適用于技術上比較成熟的氣流床氣化爐的工況分析和操作參數(shù)優(yōu)化。

據(jù)相關文獻報道，Watkinson等提出的化學平衡模型對氣流床氣化爐的預測結果較為準確。本文在其基礎上建立了基于水煤漿和粉煤氣化過程的工程化計算模型，并以德士古和殼牌氣化爐的實際操作數(shù)據(jù)為基準，從氣化反應溫度和最終產(chǎn)物合成氣組分兩方面驗證了所建模型的可靠性。開發(fā)的氣化爐工程化數(shù)學模型可準確預測煤氣化爐的性能，獲得不同運行條件下煤氣化爐出口煤氣成分，可對運行中的氣化爐進行工況分析和操作優(yōu)化。

1 模型描述

本模型依據(jù)氣流床氣化反應特性及相關文獻報道，作如下假設：

（1）氣化爐處于穩(wěn)定的運行狀態(tài)，所有參數(shù)不隨時間而變化；

（2）煤顆粒中灰分是惰性的，不參與氣化反應，產(chǎn)品煤氣中不含高分子量的碳氫化合物；

（3）煤中的元素H、O、S 和N 全部轉(zhuǎn)入氣相，N 全部轉(zhuǎn)化為N2，S 全部轉(zhuǎn)化為H2S，而C則隨操作參數(shù)的變化不完全轉(zhuǎn)化，參加反應的元素為C、H、O 和S；

（4）模型考慮的氣化產(chǎn)物有CO、CO2、H2、CH4、N2、H2S和H2O；

（5）在模型簡化設定的條件下，最后的氣體成分組成主要取決于均相水煤氣變換反應和均相甲烷化反應，因此只建立以上兩個反應的平衡常數(shù)與溫度的關系式。

1.1 質(zhì)量平衡

根據(jù)模型假設，以粉煤氣化爐為例，表1給出了氣化爐進出口的物料平衡。水煤漿氣化爐的質(zhì)量平衡與粉煤氣化爐類似，在此不再詳述。

1.2 化學反應平衡

氣流床氣化爐中發(fā)生的主要均相和異相反應見表2。均相反應 （1）、 （2）和 （4）分別是CO、H2和甲烷的燃燒反應，一般發(fā)生在氣化爐噴嘴附近的富氧燃燒區(qū)。這些反應的速度很快，而且?guī)缀跏遣豢赡娣磻?，無需考慮它們的化學平衡計算。

均相反應 （3）也稱作CO 變換反應或均相水煤氣反應，是氣化過程中最重要的反應之一，在較低的溫度下就很容易進行，轉(zhuǎn)化速度很快。在氧氣不充分的情況下 （氣化爐出口處），它決定了最終合成氣成分的分布。

均相反應 （5）為均相甲烷化反應，其反應速度要比異相甲烷化反應 （2）大。由于其是體積縮小的反應，需要4個分子一起進行反應，因此在常壓下反應進行的幾率比較小，但在氣流床氣化爐運行的較高壓力調(diào)節(jié)下，此反應的速率比較快。

表1 粉煤氣化爐進出口物料 （元素）平衡

表2 氣化爐中發(fā)生的主要化學反應

從建立工程化氣化爐模型的目的考慮，本文只選取了兩個對氣化爐出口合成氣組成分布影響最大的化學反應構建平衡常數(shù)關系式，即均相水煤氣變換和甲烷化反應，這兩個反應的平衡常數(shù)與溫度的關系式：

式中：Ki——平衡常數(shù)；

Yi——氣體組分摩爾分數(shù)；

P——氣化壓力，atm；

T——氣化反應溫度，K。

1.3 能量平衡

根據(jù)能量守恒定律，輸入氣化爐內(nèi)的總熱量應該等于從爐中輸出的總熱量，即總輸入熱量等于總輸出熱量。本模型中，輸入氣化爐的熱量主要有煤的熱值以及煤和氣化劑帶入爐內(nèi)的顯熱；氣化爐輸出的熱量主要包括合成氣熱值及其顯熱，還有排渣和飛灰?guī)С龅臒崃恳约皻饣癄t的熱損失。從簡化模型角度考慮，以上3部分的熱損失取經(jīng)驗值，一般為帶入爐內(nèi)煤的總熱量的1%～3%。氣化爐的能量平衡方程可以表達為：

式中：mi——質(zhì)量流量，kg／h；

hLOSS——氣化爐熱損失，kJ／h；

hi——熱值，kJ／kg；

Cpi——比熱容，kJ／ （kg·K）；

TO——參比溫度，取298K；

TIN——入爐溫度，K；

TOUT——出爐溫度 （即氣化反應溫度），K。

在本模型中，認為所有的氣體為理想氣體，在理想狀態(tài)下，物質(zhì)的定壓比熱容CP與溫度T 有如下的經(jīng)驗關系式：

式中：CP——定壓比熱容，J／ （mol·K）；

T——溫度，K；

A、B、C、D、E——系數(shù)，數(shù)值可在文獻中查取。

1.4 模型求解的計算方法

根據(jù)建立的質(zhì)量、能量平衡和化學反應平衡，就可以對氣化反應體系進行求解計算。在該反應體系中，有8 種 組 分 （即CO、CO2、H2、CH4、N2、H2S、H2O、灰）和氣化溫度T 共9 個未知變量。根據(jù)模型分析，可以建立6種組分的質(zhì)量平衡方程 （見表1），2個化學反應平衡方程見式 （1）和（2）以及1個能力平衡方程，見式 （3）。通過這9個方程聯(lián)立求解，可求得所有9個未知變量。

由于這3種平衡之間相互約束，直接對多元多次方程組進行求解難度較大，因此可首先根據(jù)氣化爐特點和煤質(zhì)特性，假定初始氣化反應溫度，由反應平衡方程和質(zhì)量平衡方程求出氣體組成，再代入能量平衡方程檢驗是否達到平衡，反復迭代后即可達到模型收斂。模型計算的流程框圖見圖1。

2 模型計算及準確性驗證

根據(jù)建立的氣化爐平衡模型，在MS-Excel軟件自帶的VBA （Visual Basic Application）環(huán)境下進行編程并進行模擬計算。與Matlab、Aspen plus等專業(yè)軟件相比，本文開發(fā)的基于Excel-VBA 平臺的氣化爐模型工具更為簡便易用，且無需支付高昂的軟件費用。

圖1 模型計算的流程框圖

模型的準確性驗證通過選取德士古和殼牌兩類主流氣流床氣化爐的實際運行數(shù)據(jù)與模型計算值來進行比較。驗證模型所用的氣化爐工況列于表3、表4、表5和表6，分別選取了水煤漿氣化爐 （德士古）和粉煤氣化爐 （殼牌）不同的運行條件，包括不同的煤種以及不同的氣化壓力。模型計算結果中粗合成氣的7種氣體組分與工廠實測值的平均根方差 （RMSD，Root Mean Square Deviation）均小于2.2%，特別是與神華包頭煤制烯烴廠的德士古氣化爐實測數(shù)據(jù)相比，開發(fā)的工程化模型準確性略優(yōu)于Aspen plus商用流程模擬軟件，表明該工程化模型具有較高的可信度。

從表3和表4可以看出，德士古氣化爐4種工況下CO 的模型預測值一般略高于實測值，而H2的預測值則略低。從表5和表6可以看出殼牌氣化爐3種工況下的計算結果則與德士古氣化爐正好相反。由于氣化爐出口粗合成氣中CO 與H2的相對組成主要由均相水煤氣變換反應決定，分析模型對德士古和殼牌兩種氣化爐出口CO 和H2含量的預測偏差可能是由于在選取的德士古氣化爐工況下，水煤氣變換反應僅達到 “近平衡”狀態(tài)，而在選取的殼牌氣化爐工況下，該反應達到了 “過平衡”狀態(tài)。但總體來講，該工程化模型對7種氣體產(chǎn)物的預測比較準確，表明模型對不同工況均具有較好的預測能力，可以用來預測氣化操作參數(shù)對煤氣化過程及最終合成氣成分的影響。

表3 德士古水煤漿氣化爐的操作條件

表4 德士古水煤漿氣化爐實測值與模型計算值的比較驗證結果

表5 殼牌粉煤氣化爐的操作條件

表6 殼牌粉煤氣化爐實測值與模型計算值比較驗證結果

3 氣化爐操作條件影響計算與分析

3.1 氧煤比變化

氧煤比是氣化爐的一個重要操作條件，從氣化機理分析，氧煤比上升意味著氣化劑流量和氧氣供應量的增加，由此導致燃燒反應增加，氣化爐溫度水平提高。由于氧氣供應量增加，燃燒反應加劇，揮發(fā)分釋放的CO 和H2更多地被燒掉了，碳燃燒轉(zhuǎn)化為CO2的量也有所增加。因此，盡管溫度升高，水煤氣反應及其他氣化反應加劇，但最終結果是CO 濃度略有增加，而氫氣濃度反而有所下降，總體上有效氣濃度略有下降。

以使用神東煤的神華包頭煤制烯烴廠德士古氣化爐為例，氧煤比對水煤漿氣化性能的影響見圖2。隨著氧煤比的增加，氣化溫度提高，合成氣中有效氣體 （CO+H2）含量降低，冷煤氣效率降低，模型的預測結果與反應機理分析比較符合。

在正常生產(chǎn)中，氣化爐的操作除了考慮更多的有效氣產(chǎn)量和更高的冷煤氣效率外，還要保證氣化爐正常排渣。因此，氣化溫度必須大于進料煤的灰熔點 （1220℃），從圖2中可以看到，氣化溫度大于1200℃時，氣化爐的氧煤比不能低于0.88。在這一約束條件下，實際操作中可盡量在較低的氧煤比下運行氣化爐會獲得更好的氣化性能指標，這也與該氣化爐氧煤比的設計值相一致。

圖2 氧煤比對水煤漿氣化爐性能的影響

3.2 熱解半焦水煤漿氣化技術評估

考察我國的煤炭資源特征可知，高含水量、低熱值、高揮發(fā)分的煤種在我國的煤炭儲量中所占比例超過40%，其市場價值低、運輸成本高、發(fā)電效率低和氣化技術難度大。此類煤的市場價值遠低于優(yōu)質(zhì)煤。利用低階煤熱解半焦水煤漿加壓氣化技術，可將低階煤通過中溫熱解獲得適宜于水煤漿氣化的產(chǎn)品半焦，進而探索出一條低階煤最優(yōu)利用的新途徑。

北京低碳清潔能源研究所承擔的科技部863課題 《低階煤熱解半焦制漿及氣流床半焦氣化技術研發(fā)》，研究開發(fā)了以褐煤為代表的低階煤熱解半焦制備水煤漿核心技術，并計劃將所開發(fā)低階煤半焦制備水煤漿技術放大應用于實際水煤漿氣化過程，通過500t／d以上規(guī)模工業(yè)氣化爐試燒試驗，考核氣化爐的各項性能指標。在實施工業(yè)氣化爐試燒試驗前，分析原料半焦的煤質(zhì)特性以及氣化爐的操作特性，通過開發(fā)的氣化爐數(shù)學模型對試燒操作參數(shù)進行優(yōu)化，預測氣化爐的性能指標可在一定程度上幫助研究人員深入了解原料半焦的氣化特性，進而為優(yōu)化操作提供依據(jù)。

開展試燒試驗的氣化裝置是清華大學開發(fā)的新型水煤漿水冷壁氣化爐，單爐處理原煤600t／d，氣化爐運行壓力4.0 MPa；產(chǎn)品是以CO 和H2為主的合成氣，合成氣經(jīng)過凈化、變換、脫硫脫碳后用于合成氨和甲醇合成。利用開發(fā)的氣化爐模型，在不同條件下對熱解半焦水煤漿氣化性能的影響進行模型計算，試燒原料半焦的煤質(zhì)特性見表7。

表7 試燒原料半焦的煤質(zhì)特性數(shù)據(jù)

圖3是水煤漿濃度從58%增加到66%時，氣化爐出口有效氣含量、溫度、冷煤氣效率和比氧耗的模擬計算結果。此時，單位時間供入氣化爐的水煤漿質(zhì)量不變、氧煤比也不變，因此進入氣化爐的干煤流量增加，相應地氧氣供應量也增加。計算結果表明：隨著煤漿濃度的增加，氣化爐出口溫度，有效氣含量和冷煤氣效率呈上升趨勢。這是由于氧煤比不變，提高水煤漿濃度使得水分減少，導致氣化反應溫度水平提高。由氣化機理可知，溫度升高，水煤氣反應加劇，甲烷生成反應減弱；但同時由于進入氣化爐內(nèi)的水分減少，變換反應的平衡點左移。兩種因素綜合，CO 的含量增加，H2的含量略有下降，有效氣的總含量呈升高趨勢。

此外，由于在提高水煤漿濃度的同時氧煤比保持不變，氣化爐生產(chǎn)的合成氣總量和有效氣含量均隨之增加，因此水煤漿濃度的升高對比氧耗性能指標的影響不太顯著。

圖3 水煤漿濃度對熱解半焦氣化性能的影響

4 結論

與以往氣化爐數(shù)學模型相比，本文建立的氣流床氣化爐工程化數(shù)學模型具有以下突出特點：

（1）通過適當提煉關鍵影響因素和主導反應過程，對模型進行了進一步簡化，開發(fā)出了能正確反映氣化爐主要變化趨勢，可用于氣化爐操作工況分析和優(yōu)化的簡化數(shù)學模型。

（2）用戶操作界面友好且功能較為全面，可以作為氣化爐操作參數(shù)研究的有力工具，即可計算燃料及氣化劑流量和溫度、氣化爐工作壓力、煤種、水煤比及氧煤比等主要運行參數(shù)的影響。

（3）與大量的氣化爐實際運行數(shù)據(jù)進行了比較，模型的預測值和實測數(shù)據(jù)基本吻合，證明本模型具有較好的可信度。

（4）所建立的數(shù)學模型可以詳細地研究氣化爐主要運行參數(shù)的影響，而且趨勢基本正確，可以為操作參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

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